Antennes met fotonische chips oplossing voor 5g-netwerken

Reading time: 5 minutes

Author:

Bonneke Weber is tekstschrijver bij communicatiebureau Voxx. Zij schreef dit artikel in opdracht van RVO.nl.

In de wereld van antennes, hoogfrequente radiosignalen en dataverkeer wordt volop gewerkt aan de introductie van 5g-netwerken in 2022. Licht is daarbij volgens het Twentse Satrax hét antwoord op de explosieve toename van ons dataverkeer en de daarmee samenhangende noodzaak voor steeds grotere frequentieruimte.

Directionele ontvangst van draadloze signalen gebeurt met zogenaamde phased array-antennes, een technologie die al wordt toegepast in radarsystemen. Hierbij wordt het radiosignaal ontvangen door een rij van individuele antenne-elementen en daarna samengevoegd tot één sterk signaal. Maar wanneer de signalen die achtereenvolgens zijn opgevangen ook maar iets uit fase zijn, heffen ze elkaar gedeeltelijk op en gaat er signaal verloren.

De kunst is dan ook om de signalen iets te vertragen, zodanig dat ze elkaar juist versterken wanneer ze worden samengevoegd. Dat kan elektronisch, maar daarbij krijgt elke frequentie een net iets andere vertraging mee. Dat betekent dat de antenne slechts in een beperkt frequentiebereik goed werkt.

Gebruikmakend van licht zou het veel beter kunnen: verliesvrij, traploos instelbaar wat betreft richting en bovendien duizend tot honderdduizend keer sneller dan wanneer het elektronisch gebeurt. Voor het omzetten van radio- naar lichtsignalen en vice versa zijn echter discrete componenten nodig, zoals lasers, modulatoren en detectoren, verbonden met glasvezelkabels. Dat levert een lompe, grote en inefficiënte oplossing op die ook nog eens zeer kostbaar is en daarmee onaantrekkelijk voor massaproductie.

Strafrondjes

‘Zou het niet fantastisch zijn als die componenten kunnen worden geïntegreerd op een optische chip?’, vroeg ceo Paul van Dijk van Satrax zich af. Om dit mogelijk te maken, ontwikkelde zijn bedrijf een fotonische chip. Satrax hoefde daarbij niet af te wijken van het gangbare cmos-chipproductieproces: de chip bevat lichtgolfgeleiders van siliciumnitride die zijn ingekapseld in siliciumoxide, gegroeid op silicium wafers die ook in de fabricage van geheugenchips en microprocessoren worden gebruikt.

Van Dijk: ‘Op ons photonic integrated circuit kunnen we lichtsignalen nauwkeurig en traploos vertragen door optische ringresonatoren dicht bij de golfgeleiders te plaatsen. De optische signalen koppelen naar deze ringen en gaan resoneren, waardoor de padlengte die het licht aflegt net iets langer wordt. De lichtsignalen lopen zogezegd ‘strafrondjes’ in de ring en vertragen.’

‘Naast deze vertragingsfunctie zijn er meerdere functionaliteiten in het ontwerp van de chip verwerkt die de radiosignalen omzetten naar lichtsignalen, moduleren, en aan het eind weer detecteren en converteren naar een elektrisch signaal. Het grote voordeel van het gebruik van vertragers is dat signaalverwerking tegelijk mogelijk is voor een grotere bandbreedte dan elektronisch kan worden bereikt. Dit komt doordat vertragers volledig frequentieonafhankelijk zijn. Het is dus dé oplossing voor breedbandige communicatie met hoge capaciteit’, aldus Van Dijk.

Twee bij twee

Satrax werkt samen met onder meer Ericsson, de Technische Universiteit Denemarken, Portugal Telekom en zeven Zuid-Koreaanse bedrijven aan een antenneoplossing voor 5g-netwerken. Dankzij de zogeheten integrated microwave photonics-technologie (imp-technologie) verbeteren niet alleen de functionaliteit en robuustheid van de antenne, maar worden tegelijkertijd ook gewicht, kosten en energieverbruik gereduceerd. Bovendien is bundelrichting en -vorm traploos instelbaar, een belangrijke eigenschap om het dekkingsgebied en de kwaliteit van het signaal voor eindgebruikers te optimaliseren.

‘De ontwikkelde phased array-antennes zijn, afhankelijk van de gewenste frequentie, zo’n twintig bij twintig centimeter en ongeveer vijf centimeter dik’, vervolgt Van Dijk. ‘Onze bijpassende bundelvormer is circa vijf bij vijf centimeter en een centimeter dik. De optische chip is maximaal twee bij twee centimeter en is het equivalent van een elektronische printplaat van twee bij twee meter.’

Factor tien

Imp-technologie is interessant voor verschillende industrieën en toepassingen. In 2014 nam Satrax deel aan het Esa-project Terasat voor breedbandsatellietcommunicatie met een capaciteit van een terabyte per seconde. Samen met Airbus Defence and Space onderzocht Satrax hoe een efficiënte dekking kon worden bereikt boven het Europese continent met een hoge netwerkcapaciteit van gerichte radiobundels.

Van Dijk: ‘Nu bestrijkt een satelliet nog één volledig continent met één gerichte bundel. Er is één signaal voor het verzenden en ontvangen van communicatie voor heel Europa. Onze technologie maakt echter meerdere signaalbundels naar verschillende Europese landen tegelijkertijd mogelijk. Met een bundelvormende chip ter grootte van een bierviltje kunnen 36 onafhankelijke bundels tegelijkertijd worden gericht en neemt de capaciteit dus met minimaal een factor tien toe.’

Kwantumcryptografie

Echt disruptief wordt de technologie nu wetenschappers van het Centre for Ultrahigh Bandwidth Devices for Optical Systems (Cudos) aan de universiteit van Sydney de chip van Satrax ook hebben toegepast in kwantumcryptografie. Daarmee wordt inbraak- of afluistervrije communicatie mogelijk. ‘Communicatie via de ether, kabel of glasvezel is nooit honderd procent veilig en is te onderscheppen’, aldus Van Dijk.

‘Communicatie gebaseerd op het gebruik van fotonen over lange afstand is een relatief nieuwe toepassing van kwantumcryptografie en wordt gezien als een oplossing voor veilige communicatie. Met behulp van een chip die nu zo klein is dat deze in bijna elke computer of mobiele telefoon past, kan informatie in de toekomst veilig worden overgebracht.’

Doorbraak

Voor de fabricage van de chips werkt Satrax al jaren samen met optische-chipfabrikanten Lionix en Smart Photonics. Dankzij het gebruik van de optische golfgeleidertechnologie kan het licht op kleine schaal worden bewerkt zonder signaalverliezen. Hierdoor zijn complexe schakelingen mogelijk. In 2003 en 2004 zijn de eerste prototypes gemaakt, onder meer dankzij ondersteuning van het toenmalige Point One-programma van de overheid. In 2008 werden de eerste optische chips verbonden met een antenne, waarmee de bundelvorming en sturing werden gedemonstreerd.

Van Dijk: ‘Veel bewerkingen die normaal gebeuren met elektronica zijn sindsdien mogelijk met licht. Waar destijds nog discrete optische componenten werden gebruikt, is de uitdaging nu om deze functionaliteiten verder te integreren in de chip.’

Volgens Van Dijk staan we aan de vooravond van de doorbraak van geïntegreerde fotonische oplossingen. ‘Technologie evolueert snel en de eisen voor communicatiesystemen met betrekking tot bandbreedtes en frequenties gaan steeds verder omhoog. Hogere, nu nog niet gelicenseerde frequenties stellen meer bandbreedte beschikbaar voor applicaties die veel capaciteit vragen, zoals online delen van foto’s en video’s. Licht is dan uiteindelijk de enige oplossing die deze bewegingen en onze toenemende vraag naar veiligere, snellere, complexere en betrouwbaardere datacommunicatie aan zal kunnen.’